CN103208804A - 基于支路电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于支路电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法。步骤是：确定微电网中风力发电和光伏发电的装机容量以及接入微电网系统的负荷大小和性质；确定微电网系统的边界约束以及微电网系统中各支路、各节点的各项数据；根据各支路、各节点的详细数据计算出各支路的电压稳定度L指标的大小并进行排序；选择薄弱区域的主要薄弱支路的无功受端节点作为无功补偿点；计算并比较补偿前后微电网系统的网损和电压偏移，验证此选点方法的正确性。本发明基于支路电压稳定度准确选取微网中无功补偿点，受微网运行方式的变化以及微电源输出波动性的影响较小，具有良好的适用性和经济性，有效地减少了微网的网损和电压偏移。

Description

基于支路电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法

技术领域

本发明涉及一种无功补偿点选择方法，尤其是涉及基于支路电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法。 

背景技术

微网无功优化配置的一个重要方面就是微网无功补偿点的选择。在微网的无功优化配置中，如果将所有的节点均设置为候选无功补偿配置点，将会使计算工作量大幅增加，并且不符合微网的实际需要，因此在微网的规划设计中应该首先选择合适的无功补偿点。无功补偿点对微网运行的电压稳定性和经济性有重要的影响，如果无功补偿点设置不合理，将造成微网无功分布不均衡，部分区域线路无功过剩，电压偏高，无功外送，或者部分线路的无功不足，电压下降，使微网系统的潮流分布不合理，造成无功功率的长途输送与交换，使微网的网损增加，当负荷突然减少时，还可能会引起瞬时过电压。 

目前常用的无功补偿点的选择方法主要有：（1）传统经验法，选取中负荷节点、电压中枢点作为无功补偿点，但是其难以避免无功远距离输送，造成损耗过大；（2）优化算法计算，利用优化算法优化，该方法对运行方式变化反应灵敏，容易造成不同运行方式下补偿结果差异过大；（3）电压稳定分析法，主要有灵敏度法，通过识别电网电压薄弱区域来选择无功补偿点，该方法对模型要求高，受电网运行方式影响较大。 

由于微网中新能源微电源输出功率的波动性，微网系统的潮流分布变化较快，微网的安全经济运行对无功潮流的分布有较高的要求，微网无功补偿的配置点的选择必须考虑微网中新能源微电源的运行特点以及微网的 运行方式，合理布置无功补偿装置，以满足微网的运行要求。 

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种受微网运行方式的变化以及微电源输出波动性的影响较小，具有良好的适用性和经济性，有效地减少了微网的网损和电压偏移的一种基于支路电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法。 

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 

一种基于支路电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法，其特征在于：包括以下步骤： 

步骤1，确定微电网中风力发电和光伏发电的装机容量以及接入微电网系统的负荷大小； 

步骤2，确定微电网系统的边界约束以及微电网系统中各支路、各节点的各项数据，所述的各项数据包括：支路的电阻和电抗，流入支路末节点的有功和无功功率；支路首节点的电压； 

步骤3，根据各支路、各节点的详细数据计算出各支路的电压稳定度L指标的大小； 

步骤4，比较步骤3中得到的各支路电压稳定度L指标的大小，确定微网的电压薄弱区域，选择薄弱区域的主要薄弱支路的无功受端节点作为无功补偿点；并同时选取风机接入节点及无功负荷较重的节点作为补偿点； 

步骤5，对所选补偿点进行无功补偿，计算并比较补偿前后微电网系统的网损和电压偏移。 

在上述的基于电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法，所述步骤2 中微电网系统的边界约束包括： 

边界约束一：潮流约束，基于以下公式： 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i+\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ik}}-V_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0\\ Q_i+\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ik}}-V_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0\end{array}\right.$

式中，P_i、Q_i分别节点i注入的有功和无功；P_ik和Q_ik为第k台机组的有功和无功出力；V_i为节点i点电压幅值，V_j为节点j点电压幅值；N为系统的节点数；G_ijB_ij分别为线路ij的电导和电纳；δ_ij为线路ij的相角差； 

边界约束二：可调变量约束，即微网无功优化的可调的变量分为控制变量和状态变量，其中微电源的机端电压V_G和可投切电容器容量C为控制变量，系统节点电压V和微电源的无功出力Q_G为状态变量； 

控制变量的不等式约束为： 

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{Gi}\min }\≤V_{\mathrm{Gi}}\≤V_{\mathrm{Gi}\max }& i=\mathrm{1,2},...,N_G\\ C_{k\min }\≤C_k\≤C_{k\max }& k=\mathrm{1,2},...,N_C\end{array}\right.$

状态变量的不等式约束为： 

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_{i\min }\≤V_i\≤V_{\mathrm{inax}}& i=\mathrm{1,2},...,N\\ Q_{\mathrm{Gj}\min }\≤Q_{\mathrm{Gj}}\≤Q_{\mathrm{gj}\max }& j=\mathrm{1,2},...,N_G\end{array}\right.$

N_G为微网系统的发电机节点数；N_C为系统的可投切电容器数；V_Gi为第i台发电机机端电压；C_k为第k个可投切电容器的无功补偿容量；V_i为节点i的电压幅值；Q_Gj为第j台发电机的无功出力； 

边界约束三：微电源出力约束，基于以下公式： 

P_Gimin≤P_Gi≤P_Gimax

式中：P_Gimin、P_Gimax分别为第i个微电源有功出力的下限和上限； 

边界约束四：公共连接点电压约束，即当微网并网运行时，微网与大电网的公共连接点的电压偏差在±5%之间。 

在上述的基于电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法，所述步骤3中，计算各支路电压稳定度的方法为： 

$L_{\mathrm{ij}}=\frac{4[{(P_j{X}_{\mathrm{ij}}-Q_j{R}_{\mathrm{ij}})}^2+(P_i{R}_{\mathrm{ij}}+Q_j{X}_{\mathrm{ij}})V_i^2]}{V_i^4}$

式中，R_ij和X_ij分别为支路ij的电阻和电抗，P_j和Q_j分别为流入支路末节点j的有功和无功功率；V_i为支路ij首节点i的电压。 

在上述的基于电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法，定义电压稳定度L值最大的一个或多个支路为微网的电压薄弱区域。 

因此，本发明具有如下优点：受微网运行方式的变化以及微电源输出波动性的影响较小，具有良好的适用性和经济性，有效地减少了微网的网损和电压偏移。 

附图说明

图1是本发明的处理流程图。 

图2是本发明实施例中的电气接线图。 

图3是无功补偿前后微网网损对比曲线图。 

图4是无功补偿前后微网电压偏离对比曲线图。 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 

实施例： 

一、首先，介绍一下本发明的方法流程，具体包括了一下的几个步骤： 

步骤1，确定微电网中风力发电和光伏发电的装机容量以及接入微电网系统的负荷大小； 

步骤2，确定微电网系统的边界约束以及微电网系统中各支路、各节点的各项数据，所述的各项数据包括：支路的电阻和电抗，流入支路末节点的有功和无功功率；支路首节点的电压； 

其中，边界约束包括： 

边界约束一：潮流约束，基于以下公式： 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i+\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ik}}-V_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0\\ Q_i+\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ik}}-V_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0\end{array}\right.$

式中，P_i、Q_i分别节点i注入的有功和无功；P_ik和Q_ik为第k台机组的有功和无功出力；V_i为节点i点电压幅值，V_j为节点j点电压幅值；N为系统的节点数；G_ij、B_ij分别为线路ij的电导和电纳；δ_ij为线路ij的相角差； 

边界约束二：可调变量约束，即微网无功优化的可调的变量分为控制变量和状态变量，其中微电源的机端电压V_G和可投切电容器容量C为控制变量，系统节点电压V和微电源的无功出力Q_G为状态变量； 

控制变量的不等式约束为： 

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{Gi}\min }\≤V_{\mathrm{Gi}}\≤V_{\mathrm{Gi}\max }& i=\mathrm{1,2},...,N_G\\ C_{k\min }\≤C_k\≤C_{k\max }& k=\mathrm{1,2},...,N_C\end{array}\right.$

状态变量的不等式约束为： 

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_{i\min }\≤V_i\≤V_{\mathrm{inax}}& i=\mathrm{1,2},...,N\\ Q_{\mathrm{Gj}\min }\≤Q_{\mathrm{Gj}}\≤Q_{\mathrm{gj}\max }& j=\mathrm{1,2},...,N_G\end{array}\right.$

N_G为微网系统的发电机节点数；N_C为系统的可投切电容器数；V_Gi为第i台发电机机端电压；C_k为第k个可投切电容器的无功补偿容量；V_i为节点i的电压幅值；Q_Gj为第j台发电机的无功出力； 

边界约束三：微电源出力约束，基于以下公式： 

P_Gimin≤P_Gi≤P_Gimx

式中：P_Gimin、P_Gimax分别为第i个微电源有功出力的下限和上限； 

边界约束四：公共连接点电压约束，即当微网并网运行时，微网与大电网的公共连接点的电压偏差在±5%之间。 

步骤3，根据各支路、各节点的详细数据计算出各支路的电压稳定度L指标的大小；计算各支路电压稳定度的方法为： 

$L_{\mathrm{ij}}=\frac{4[{(P_j{X}_{\mathrm{ij}}-Q_j{R}_{\mathrm{ij}})}^2+(P_i{R}_{\mathrm{ij}}+Q_j{X}_{\mathrm{ij}})V_i^2]}{V_i^4}$

式中，R_ij和X_ij分别为支路ij的电阻和电抗，P_j和Q_j分别为流入支路末节点j的有功和无功功率；V_i为支路ij首节点i的电压。 

步骤4，比较步骤3中得到的各支路电压稳定度L指标的大小，确定微网的电压薄弱区域，在这里，定义电压稳定度L值最大的一个或多个支路为微网的电压薄弱区域，选择薄弱区域的主要薄弱支路的无功受端节点作为无功补偿点；并同时选取风机接入节点及无功负荷较重的节点作为补偿点； 

步骤5，对所选补偿点进行无功补偿，计算并比较补偿前后微电网系统的网损和电压偏移。 

二、以下是采用上述的方法进行的一个具体实施例： 

步骤1：确定微电网中风力发电和光伏发电的装机容量以及接入微电网系统的负荷大小和性质； 

在本实施例中，如图2所示，以某风、光、储微电网孤网系统光伏发电容量为300KW，风电发电容量为3MW，微电网负荷大小为7.85MW，微电网系统负荷包括照明负荷和电动汽车充电负荷为例进行说明。 

步骤2：确定微电网系统的边界约束以及微电网系统中各支路、各节点的各项数据。 

微电网系统的边界约束包括以下内容： 

1、边界约束一：微电网系统潮流约束如公式（1）所示 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i+\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ik}}-V_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0\\ Q_i+\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ik}}-V_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，P_i、Q_i分别节点i注入的有功和无功；P_ik和Q_ik为第k台机组的有功和无功出力；V_i为节点i点电压幅值，V_j为节点j点电压幅值；N为系统的节点数；G_ij、B_ij分别为线路ij的电导和电纳；δ_ij为线路ij的相角差； 

在本实施例中，系统支路和节点各项数据如表1所示。 

表1微网系统支路节点信息表（包括首端节点电压和流入末端节点的有功、无功功率） 

2、边界约束二：可调变量约束，分为控制变量约束和状态变量约束。 

（1）控制变量约束如公式（2）所示： 

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{Gi}\min }\≤V_{\mathrm{Gi}}\≤V_{\mathrm{Gi}\max }& i=\mathrm{1,2},...,N_G\\ C_{k\min }\≤C_k\≤C_{k\max }& k=\mathrm{1,2},...,N_C\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，N_G为微网系统的发电机节点数；N_C为系统的可投切电容器数；V_Gi为第i台发电机机端电压；C_k为第k个可投切电容器的无功补偿容量。 

在本实施例中，控制变量V_Gi的标幺值约束为0.95≤V_Gi≤1.05，控制变量C_k的约束为0≤C_k≤20。 

（2）状态变量约束如公式（3）所示： 

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_{i\min }\≤V_i\≤V_{\mathrm{inax}}& i=\mathrm{1,2},...,N\\ Q_{\mathrm{Gj}\min }\≤Q_{\mathrm{Gj}}\≤Q_{\mathrm{gj}\max }& j=\mathrm{1,2},...,N_G\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，V_i为节点i的电压幅值；Q_Gj为第j台发电机的无功出力。 

在本实施例中，状态变量V_i的标幺值约束为0.95≤V_Gi≤1.05，状态变量Q_Gj约束为0kw≤Q_Gj≤75kw。 

3、边界约束三：微电源出力约束如公式（4）所示： 

P_Gimin≤P_Gi≤P_Gimax    ------(4) 

式中：P_Gimin、P_Gimax分别为第i个微电源有功出力的下限和上限。 

在本实施例中，风电场有功出力上下限为0MW≤P_G1≤3MW，光柴储能有功出力上下限为0MW≤P_G2≤0.3MW，储能电池有功出力上下限为0MW≤P_G3≤03MW。 

4、边界约束四：公共连接点电压约束，即当微网并网运行时，微网与大电网的公共连接点的电压偏差在±5%之间。 

步骤3：根据各支路、各节点的详细数据，通过公式（3）计算出各支路的电压稳定度L指标的大小。 

$L_{\mathrm{ij}}=\frac{4[{(P_j{X}_{\mathrm{ij}}-Q_j{R}_{\mathrm{ij}})}^2+(P_i{R}_{\mathrm{ij}}+Q_j{X}_{\mathrm{ij}})V_i^2]}{V_i^4}---\left(3\right)$

式中，R_ij和X_ij分别为支路ij的电阻和电抗，P_j和Q_j分别为流入支路末节点j的有功和无功功率；V_i为支路ij首节点i的电压。 

在本实施例中，各支路的电压稳定度L指标表如表2所示。 

表2是根据各支路、各节点的详细数据计算出各支路的电压稳定度L指标表。 

序号	i侧	j侧	L值	序号	i侧	j侧	L值
								1	3	6	0.08033	10	11	12	0.00522
2	7	15	0.04602	11	1	13	0.00215
								3	5	7	0.03853	12	6	10	0.00207
4	4	5	0.03125	13	13	16	0.00119
								5	8	9	0.02854	14	7	12	0.00082
6	6	8	0.02743	15	1	18	0.00054
								7	14	17	0.01913	16	11	16	0.00018
8	2	18	0.01507	17	1	4	0.00014
								9	7	17	0.014782

步骤4：确定微网的电压薄弱区域，选择薄弱区域的主要薄弱支路的无功受端节点作为无功补偿点。 

在本实施例中，支路3-6电压稳定度L值最大，确定为微网电压最薄弱区域，并选择无功受端节点作为无功补偿点，即选择节点6作为无功补偿点。 

步骤5：同时选取风机接入节点及无功负荷较重的节点作为补偿点。 

在本实施例中，同时选取风机接入点14节点作为无功补偿点。 

步骤6：计算并比较补偿前后微电网系统的网损和电压偏移，验证此选点方法的正确性。 

在本实施例中，选择节点6和节点14作为无功补偿点，运用软件仿真对所选补偿点进行无功补偿，在表3所示九种运行方式下得到无功补偿前 后微电网系统的网损如图3所示，得到无功补偿前后微电网系统的电压偏离如图4所示。 

表3是光伏和风机出力各不相同的九种运行情况图表。 

运行方式	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										风机出力	100%	100%	100%	50%	50%	50%	0%	0%	0%
光伏出力	100%	50%	0%	100%	0%	0%	100%	50%	0%

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

Claims (4)

1.一种基于支路电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法，其特征在于：包括以下步骤： 

步骤1，确定微电网中风力发电和光伏发电的装机容量以及接入微电网系统的负荷大小； 

步骤2，确定微电网系统的边界约束以及微电网系统中各支路、各节点的各项数据，所述的各项数据包括：支路的电阻和电抗，流入支路末节点的有功和无功功率；支路首节点的电压； 

步骤3，根据各支路、各节点的详细数据计算出各支路的电压稳定度L指标的大小； 

步骤4，比较步骤3中得到的各支路电压稳定度L指标的大小，确定微网的电压薄弱区域，选择薄弱区域的主要薄弱支路的无功受端节点作为无功补偿点；并同时选取风机接入节点及无功负荷较重的节点作为补偿点； 

步骤5，对所选补偿点进行无功补偿，计算并比较补偿前后微电网系统的网损和电压偏移。 

2.根据权利要求1所述的基于电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法，其特征在于：所述步骤2中微电网系统的边界约束包括： 

边界约束一：潮流约束，基于以下公式： 

式中，P_i、Q_i分别节点i注入的有功和无功；P_ik和Q_ik为第k台机组的有 功和无功出力；V_i为节点i点电压幅值，V_j为节点j点电压幅值；N为系统的节点数；G_ij、B_ij分别为线路ij的电导和电纳；δ_ij为线路ij的相角差； 

边界约束二：可调变量约束，即微网无功优化的可调的变量分为控制变量和状态变量，其中微电源的机端电压V_G和可投切电容器容量C为控制变量，系统节点电压V和微电源的无功出力Q_G为状态变量； 

控制变量的不等式约束为： 

状态变量的不等式约束为： 

N_G为微网系统的发电机节点数；N_C为系统的可投切电容器数；V_Gi为第i台发电机机端电压；C_k为第k个可投切电容器的无功补偿容量；V_i为节点i的电压幅值；Q_Gj为第j台发电机的无功出力； 

边界约束三：微电源出力约束，基于以下公式： 

P_Gmin≤P_Gi≤P_Gimax

式中：P_Gimin、P_Gimax分别为第i个微电源有功出力的下限和上限； 

边界约束四：公共连接点电压约束，即当微网并网运行时，微网与大电网的公共连接点的电压偏差在±5%之间。 

3.根据权利要求1所述的基于电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法，其特征在于：所述步骤3中，计算各支路电压稳定度的方法为： 

式中，R_ij和X_ij分别为支路ij的电阻和电抗，P_j和Q_j分别为流入支路末节点j的有功和无功功率；V_i为支路ij首节点i的电压。 

4.根据权利要求1所述的基于电压稳定分析的微电网无功补偿点选择方法，其特征在于：定义电压稳定度L值最大的一个或多个支路为微网的电压薄弱区域。 

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